王洪武

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東省高分子材料先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

0 前言

錐形雙螺桿擠出機(jī)是在完全嚙合式平行異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機(jī)型。它除了具有與平行異向雙螺桿擠出機(jī)共同的優(yōu)點(diǎn)外,還具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[1-2]:(1)加料段螺桿直徑大,螺槽容積大,加料量大;(2)加料段螺槽表面積大,傳熱面積大,有利于物料的傳熱;(3)螺槽容積隨螺桿逐漸減小,物料被逐漸壓縮,保證了物料連續(xù)平穩(wěn)的塑化;(4)螺桿尾部直徑大,螺桿強(qiáng)度高;(5)分配齒輪中心距大,齒輪直徑大,承載能力高,螺桿軸向力小,止推軸承的使用壽命高;(6)擠出段螺桿直徑小,塑料熔體的剪切速率低,熱損傷的危險(xiǎn)性小,適于熱穩(wěn)定性差的物料的加工。

錐形雙螺桿擠出機(jī)在加工對(duì)溫度和剪切敏感的物料方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為RPVC干混粉料擠出成型加工的主要機(jī)型之一,廣泛地應(yīng)用于管材、板材、異型材等制品的擠出成型以及RPVC粉料的造粒。

螺桿是擠出機(jī)的心臟,螺桿參數(shù)直接影響到擠出機(jī)的性能。本文對(duì)SJSZ-55錐形雙螺桿擠出機(jī)的螺桿進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 螺桿的設(shè)計(jì)

1.1 螺桿直徑D

錐形螺桿有小端直徑和大端直徑兩個(gè)值,但錐形螺桿規(guī)格一般用小端直徑表示。小端直徑通常在25 mm～92 mm之間,需根據(jù)擠出量確定。本設(shè)計(jì)的SJSZ-55錐形雙螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑為55/110 mm,其中,小端直徑為55 mm,大端直徑為110 mm,為普通型螺桿。

1.2 螺桿長(zhǎng)徑比L/Dm

錐形雙螺桿的長(zhǎng)徑比L/Dm定義為螺桿有效長(zhǎng)度L與平均直徑Dm之比。平均直徑為:

式中:Dm為螺桿平均直徑,mm;Dmin為螺桿小端直徑,mm;Dmax為螺桿大端直徑,mm。

在本設(shè)計(jì)中,Dmin=55 mm,Dmax=110 mm。則由式(1)可得:Dm=82.5 mm。

在本設(shè)計(jì)中,L=1 195 mm,則L/Dm=14.48。

1.3 螺槽深度 h

普通型錐形雙螺桿的螺槽深度沿螺桿長(zhǎng)度不變。螺桿頭部的螺槽深度一般為小端直徑的1/4～1/5。

小端直徑為55 mm,螺槽深度h的選擇范圍為11～13.75 mm,取h=12 mm。

1.4 螺桿軸線中心距 a

兩根螺桿嚙合后的軸線中心距為:

式中:a為螺桿軸線中心距,mm;h為螺槽深度, mm;δw為頂隙,mm;δw相對(duì)較小,計(jì)算中有時(shí)可以忽略不計(jì)。

由式(2)可得:最小中心距 amin=Dmin-h+δw=43 mm;最大中心距 amax=Dmax-h+δw= 98 mm。

1.5 螺桿各功能段參數(shù)

螺桿全長(zhǎng)按功能分為4段:加料段、塑化段(壓縮段)、排氣段和擠出段(計(jì)量段)。

1.5.1 加料段參數(shù)

加料段的功能主要是接受加入的低松密度的RPVC粉料,并向前輸送,對(duì)物料進(jìn)行壓縮和加熱。

上述參數(shù)確定以后,首先根據(jù)擠出產(chǎn)量確定加料段螺槽容積V1;再由此確定螺紋導(dǎo)程 S1和螺紋頭數(shù)i1。

螺紋導(dǎo)程S1可以恒定不變,也可以逐漸減小,以實(shí)現(xiàn)物料連續(xù)壓縮,但增加了加工難度。

加料段螺紋頭數(shù)i1影響物料在加料段的升溫效果。螺紋頭數(shù)多,螺桿傳熱表面積大,有利于冷料的升溫。但螺紋頭數(shù)增多時(shí),一方面,加工復(fù)雜,且螺棱窄,強(qiáng)度削弱,熱容量小,傳熱效果反而差;另一方面,由于螺槽窄而深,會(huì)出現(xiàn)螺桿圓周速度及物料的散落性能而造成的加料困難。一般螺紋頭數(shù)i1取1～3,視螺桿直徑而定。

從易于加工方面考慮,加料段螺紋導(dǎo)程 S1恒定不變,螺紋頭數(shù)i1為1。

加料段長(zhǎng)度L1原則上取決于被加工物料的熔融特性以及螺桿的有效長(zhǎng)度。為了適應(yīng)不同物料或配方的加工要求,加料段長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng),一般為螺桿有效長(zhǎng)度的35%～40%。

螺桿有效長(zhǎng)度為1 195 mm,所以L1在418～478 mm之間選取,取L1=470 mm。

錐形雙螺桿擠出機(jī)的擠出量可用公式(3)計(jì)算[3]:

式中:Q為擠出量,kg/h;V為兩螺桿嚙合后C形螺槽容積,mm3;n為螺桿轉(zhuǎn)速,r/min;ρs為物料松密度,kg/m3;i為螺紋頭數(shù);f為輸送效率。

C形螺槽容積可用式(4)計(jì)算[3]:

式中:V為兩螺桿嚙合后C形螺槽容積,mm3;D為螺桿直徑,mm;a為螺桿軸線中心距,mm;i為螺紋頭數(shù);S為螺紋導(dǎo)程,mm。

在本設(shè)計(jì)中,Q=150 kg/h,n=24 r/min,ρs= 600 kg/m3,i1=1,f=1。

由式(3)可得:加料段螺槽容積V1=8.68× 104mm3。

由式(4)可得:加料段螺紋導(dǎo)程 S1=48 mm (S1按國(guó)標(biāo)米制螺紋導(dǎo)程標(biāo)準(zhǔn)圓整)。

1.5.2 塑化段參數(shù)

塑化段的功能是進(jìn)一步充分壓實(shí)物料,并使物料達(dá)到半塑化狀態(tài)。錐形雙螺桿擠出機(jī)的塑化能力主要基于物料在塑化段的塑化效果。

塑化段的螺紋導(dǎo)程 S2和螺紋頭數(shù) i2根據(jù)塑化段螺槽容積V2確定;V2則根據(jù)與加料段螺槽容積V1的壓縮比來確定。此壓縮比ε在1.4～3.8范圍內(nèi)選取。

塑化段長(zhǎng)度L2相對(duì)較短,約為螺桿有效長(zhǎng)度的5%～8%。

螺桿有效長(zhǎng)度為1 195 mm,所以L2在60～96 mm之間選取,取L2=80 mm。

塑化段螺桿大端直徑為88.37 mm,螺紋頭數(shù)i2取1,壓縮比ε取2.4。

則:塑化段螺槽容積 V2=V1/2.4=3.62 ×104mm3。

由式(4)可得:塑化段螺紋導(dǎo)程 S2=28 mm (S2按國(guó)標(biāo)米制螺紋導(dǎo)程標(biāo)準(zhǔn)圓整)。

1.5.3 排氣段參數(shù)

排氣段的功能是將物料中的可揮發(fā)物(氣體)排出,以利于物料進(jìn)一步塑化,為擠出段提供不含氣體的熔體。對(duì)RPVC而言,當(dāng)其處于半塑化狀態(tài)時(shí),最有利于排氣。若未達(dá)到半塑化狀態(tài),可揮發(fā)物尚未汽化,不易排出;若塑化過好,已汽化的可揮發(fā)物包在熔體中,反而排不出。另外,根據(jù)排氣理論,為使排氣效果好,在排氣段應(yīng)有足夠大的自由排氣空間和使物料不斷更新的表面。

基于以上要求,排氣段螺槽的容積必須足夠大,使物料在其中處于半充滿狀態(tài)。在同樣的螺桿轉(zhuǎn)速下,具有較大的自由體積輸送能力,使排氣口上游的輸送能力 Q1小于排氣段的輸送能力 Q2,即:Q1

螺桿有效長(zhǎng)度為1 195 mm,所以L3在203～239 mm之間選取,取L3=230 mm。

排氣段螺桿大端直徑為84.46 mm,螺紋頭數(shù)i3取1。

則:排氣段螺槽容積 V3=1.5V1=1.30 ×105mm3。

由式(4)可得:排氣段螺紋導(dǎo)程 S3=88 mm (S3按國(guó)標(biāo)米制螺紋導(dǎo)程標(biāo)準(zhǔn)圓整)。

1.5.4 擠出段參數(shù)

擠出段的功能是使物料進(jìn)一步塑化,輸送物料,并建立壓力,以克服機(jī)頭阻力,將物料擠入機(jī)頭,成型制品。

為保證物料在較低的機(jī)頭壓力下充分塑化,在最大的機(jī)頭壓力下,又不使排氣口冒料,擠出段長(zhǎng)度L4應(yīng)為最大機(jī)頭壓力下建立壓力所需長(zhǎng)度的1.5倍,約占螺桿有效長(zhǎng)度的30%～35%。

螺桿有效長(zhǎng)度為1 195 mm,所以L4在359～418 mm之間選取,取L4=415 mm。

擠出段螺桿大端直徑為73.87 mm,螺紋頭數(shù)i4取1。

擠出段螺槽容積V4可根據(jù)擠出量進(jìn)行計(jì)算[3]:

式中:Q為擠出量,kg/h;ρ為熔體密度,kg/m3;n為螺桿轉(zhuǎn)速,r/min;η為熔體輸送效率。

在本設(shè)計(jì)中,Q=150 kg/h,ρ=1400 kg/m3,n =24 r/min,η=1。

再由式(4)可得:擠出段螺紋導(dǎo)程S4=40 mm (S4按國(guó)標(biāo)米制螺紋導(dǎo)程標(biāo)準(zhǔn)圓整)。

1.6 螺桿間隙的確定[3]

和嚙合異向旋轉(zhuǎn)平行雙螺桿一樣,除了螺桿與機(jī)筒內(nèi)壁的間隙δf外,由于兩螺桿嚙合,還在兩螺桿嚙合區(qū)形成徑向(壓延)間隙δc,側(cè)向間隙δs和四面體間隙δt。

(1)螺桿與機(jī)筒內(nèi)壁的間隙δf

該間隙在錐形雙螺桿中通過螺桿軸向位移可以調(diào)整。它與螺桿直徑、螺桿的制造精度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受熱膨脹等因素有關(guān)。一般取δf=0.1～0.4 mm。

(2)壓延間隙δc

這是非常重要的參量。它類似于開煉機(jī)兩輥之間的間隙,是物料塑化、混合的主要所在地。若δc選得小,則塑化、混合效果好,但間隙中的熔體壓力高,螺桿易磨損,且通過該間隙的物料少,不一定有利于整體塑化效率的提高;若δc選得大,剪切速率低,壓延作用也下降,但通過的物料多,即:壓延漏流大,有較多的物料經(jīng)受這里的剪切和壓延作用。據(jù)統(tǒng)計(jì),一般δc=0.3～2.0 mm,具體數(shù)值是由螺桿直徑、螺桿頭部軸線中心距和軸線的夾角而定。

(3)側(cè)向間隙δs

它是兩根螺桿在包含軸線的剖面中相鄰兩螺棱側(cè)面間的間隙。該間隙有較大的變化范圍,它沿著螺桿軸線方向在軸線的不同區(qū)段可以采用不同的數(shù)值。最小為0.2 mm,最大可達(dá)到4～5 mm。該間隙象壓延間隙一樣,對(duì)產(chǎn)生側(cè)隙漏流和物料的塑化、混合都有很大的作用。δs與螺桿直徑及壓延間隙δc有關(guān)。一般使δs對(duì)物料的流動(dòng)阻力與δc對(duì)物料的流動(dòng)阻力近似相等。

(4)四面體間隙δt

當(dāng)齒形,δc,δs以及δf確定后。δt自然就確定, δt不能單獨(dú)地設(shè)計(jì)。當(dāng)螺棱的側(cè)面角Ψ等于零,即:螺槽為矩形時(shí),δt就不存在。當(dāng)螺槽為梯形或鋸齒形時(shí),δt不等于零。δt是物料由一根螺桿流向另一根螺桿的通道。

1.7 螺紋牙的形狀

錐形雙螺桿的螺紋牙形一般采用梯形。螺紋升角約為5°。導(dǎo)程越大,螺紋升角就越大。排氣段和擠出段的螺紋升角比較大。螺棱的法向?qū)挾萫不能太大,太大不但占據(jù)螺槽容積,而且增加功率消耗,也容易使物料在螺棱間隙中承受的剪切作用過大而局部過熱分解;e也不能太小,太小會(huì)導(dǎo)致螺棱的強(qiáng)度減弱,增大回流,降低產(chǎn)量,還使螺棱磨損加劇。

2 結(jié)語(yǔ)

錐形雙螺桿擠出機(jī)是塑料加工的一種重要機(jī)型。它具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)SJSZ-55錐形雙螺桿擠出機(jī)的螺桿進(jìn)行了設(shè)計(jì),研究結(jié)果可以指導(dǎo)同類螺桿的設(shè)計(jì)。

[1] 馮連勛,董力群.國(guó)內(nèi)外錐形雙螺桿擠出機(jī)發(fā)展概況[J].中國(guó)塑料,1995,9(1):5-9.

[2] 宋俊全,馮連勛.錐形雙螺桿三維實(shí)體造型的研究及其開發(fā)應(yīng)用[J].中國(guó)塑料,2004,18(6):90-96.

[3] 耿孝正.雙螺桿擠出機(jī)及其應(yīng)用[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2002:272-277.